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1.6 热容的测量 自学 第三十页,共七十页。 2、热膨胀 热膨胀:物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 ——热胀冷缩 不同物体的热膨胀特性是不同的,有的物体随温度变化有较大的体积变化,有些则很小。 热膨胀系数——表征材料的热膨胀性能 2.1 热膨胀的表征及工程意义 第三十一页,共七十页。 物体原有长度为l0,温度升高Δt后长度增加Δl,实验得出 αl称为线膨胀系数,也就是温度升高1K时,物体的相对伸长。 物体在温度t时的长度lt为 实际上,固体材料的并不是一个常数,通常随温度升高而加大。 第三十二页,共七十页。 所以工业上,一般采用平均线膨胀系数表示材料的热膨胀性能。 假定材料在温度t0时长度为l0,升高到t,长度变为l,则材料在温度t0~t范围内的平均热膨胀系数为 第三十三页,共七十页。 同理,单位体积的固体温度升高1℃时的体积变化量即为在温度t时的体积膨胀系数 在温度t时的体积为 平均体积膨胀系数为 第三十四页,共七十页。 注意: 热膨胀系数是材料的重要性能参数之一,如果仅是在加热或冷却的过程中出现了相变,则相变可能也会引起体积变化。因此在测量热膨胀系数过程中应当没有相变发生。 热膨胀系数对仪表工业有重要意义。例如,作为零件尺寸稳定的微波设备、谐振腔、精密计时器和宇宙航行雷达天线等,都要求在服役环境温度变化范围内具有较高的尺寸稳定性,所以选用较低的热膨胀系数的材料。 第三十五页,共七十页。 在多相、多晶、复合材料中,由于各相及各向异性的αl不同会引起热应力,也是需要注意的问题。 材料的热稳定性能直接与热膨胀系数有关,一般αl越小,热稳定性越好。 第三十六页,共七十页。 2.2 热膨胀的物理本质 晶体材料在不受外力作用时,原子处于点阵的平衡位置,与它周围的原子有相互作用力,这时结合能量最低,作用力为零,很容易受到干扰,在外力作用下,绕平衡位置振动。 如果每个原子的平均位置不随温度变化,物体就不会随着温度升高而发生膨胀了。 第三十七页,共七十页。 实际上,随着温度升高,会导致原子间距增大,如图 假设b原子固定不动,a原子以a点为中心振动。 当温度由T1升高到T2时,振幅增大。 同时振动中心a向右侧偏移,原子间距增大,产生膨胀。 第三十八页,共七十页。 这可以用双原子模型解释。 一对相邻原子,之间存在着作用力: 异性电荷的库仑引力 同性电荷的库仑斥力与泡利不相容原理所引起的斥力。 吸力和斥力都和原子之间的距离有关。斥力随着原子间距的变化比引力大,所以合力的曲线在平衡位置两侧不对称。 r0处,吸力=斥力 rr0时,斥力降低的更厉害,所以合力为引力,两原子互相吸引。 rr0时,斥力升高较快,合力为斥力。 第三十九页,共七十页。 2.3 热膨胀与其他性能的关系 1)膨胀系数与热容的关系 ——格留乃森定律 热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀,而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着相似的规律。 第四十页,共七十页。 格留乃森推导出金属体积膨胀系数与热容之间的关系: EV-体积弹性模量;V-体积 CV-热容;γ-格留涅申常数 格留乃森指出:体膨胀与定容热容成正比,有相似的温度依赖关系,在低温下随着温度升高急剧增大,到高温后趋于平缓。 第四十一页,共七十页。 2)膨胀系数与位能的关系 质点间结合力愈强,热膨胀系数愈小 线膨胀系数α与结合能(Em)的关系 第四十二页,共七十页。 3)膨胀系数与熔点的关系 随着温度升高,晶格的振动激烈,物体的体积膨胀。 到熔点时,热运动将突破原子之间的结合力,晶体结构瓦解,物体从固体变成液态。 格留乃森给出了固体热膨胀的极限方程,即一般纯金属,从0K加热到熔点Tm,相对膨胀量约为6%。 分别为金属在绝对零度和熔点时的体积。 熔点越高,热膨胀系数愈小! 第四十三页,共七十页。 2.4 影响材料热膨胀系数的因素 1)键合强度高的材料,热膨胀系数低,如石墨的垂直于C轴方向。 2)结构紧密的晶体,热膨胀系数大,如多晶玻璃 无定形玻璃 3)结构较松散的材料(如非晶态材料等),热膨胀系数小 4)对非等轴晶系,各晶轴方向的膨胀系数不等 5)材料发生相变时,其热膨胀系数也要变化 (纯金属同素异构转变、有序-无序转变、金属和合金在接近居里点温度发生的磁性转变) 6)合金的溶质元素对合金热膨胀有明显影响;单相均匀固 溶体合金的膨胀系数一般介于两组元膨胀系数之间 7)多相合金的膨胀系数仅取决于组成相性质和数量,介于 各组
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